定向能量沉积钛合金相变模拟研究

摘要

针对定向能量沉积（DED）损伤容限型TC4-DT钛合金非平衡冷却过程中β→α相变组织不均匀的问题，文章构建了基于非平衡驱动力、各向异性界面能与长程弹性相互作用的相场模型，并嵌入形核算法，实现了形核-生长-粗化的跨阶段模拟。并系统研究了弹性应变能对变体竞争路径的择优效应、冷却速率对形核密度和板条尺度的定量调控，以及热源对横向组织均匀性的优化。结果表明，弹性应变能使变体竞争强度指数提升约144%，是诱发织构取向和力学各向异性的核心物理机制；当冷速由100K/s升至200K/s时，过冷度积累加速使有效形核数增加约38%，平均等效直径细化28.2%，其本质是高冷速抑制了Ostwald熟化。特别地，文章提出“特征尺寸不均匀度系数（δ）”作为工艺评价指标，发现振荡激光通过均化横向热通量分布，将中心-边缘的δ值由纯电弧模式的32.4%大幅压缩至6.8%，近乎消除位置依赖的组织离散性。结合损伤容限需求，建立了“板条尺度-裂纹偏转韧性增量”的量化映射，为DED钛合金热源工艺定向设计提供了详实的物理-力学基础。